Die Differenzierung des Membransystems von Rhodopseudomonas capsulata hinsichtlich seiner photosynthetischen und respiratorischen Funktionen

Zusammenfassung Membranfunktionen aus anaerob im Licht gewachsenen Zellen von Rps. capsulata und aus Zellen nach Anzucht im Dunkeln unter verschiedenen konstanten Sauerstoffpartialdrucken (5, 150, 400 Torr) wurden untersucht. Aus dem Vergleich ihres Aufbaues (Proteinmuster) und ihrer photosynthetischen und respiratorischen Aktivität (Funktionsmuster) ließ sich eine Vorstellung über das Differenzierungsgeschehen des gesamten Membransystems von Rps. capsulata ableiten.Die intracytoplasmatischen Vesikel aus Lichtzellen mit einem hohen BChl-Gehalt (bis 195 g BChl/mg Protein) und hohen Photophosphorylierungsraten (bis 19,5 mole PO₄ ^3-/mg Protein) können weitgehend als eine Struktur für den photosynthetischen Energieerwerb angesehen werden. Die entsprechenden Vesikel aus semiaerob im Dunkeln angezogenen Zellen zeigen mit über 50% des BChl-Gehaltes und der Photophosphorylierungsaktivität der Vesikel aus Lichtzellen ebenfalls den Charakter einer photosynthetischen Membran. Daneben tragen diese Strukturen jedoch noch weitgehend Funktionen des respiratorischen Apparates. Für die NADH-Oxydase-Aktivität wurden über 10mal höhere Werte und für die oxydative Phosphorylierung etwa doppelt so hohe Raten wie in den Vesikeln aus Lichtzellen gemessen.In den intracytoplasmatischen Tubuli sind die Aktivitäten von NADH-Oxydase und oxydativer Phosphorylierung gegenüber denen der Vesikel aus semiaerob angezogenen Zellen etwa 5 bzw. 2mal so hoch. Der Photosyntheseapparat ist in diesen Strukturen mit weniger als 5% des BChl-Gehaltes und etwa 10% der Photophosphorylierungsaktivität gegenüber den Vesikeln aus Lichtzellen nur sehr gering ausgebildet. Das Verhältnis von Photophosphory lierung zu oxydativer Phosphorylierung in intracytoplasmatischen Membranfraktionen (Phosphorylierungsquotient) kann als Maß für die Differenzierung der Membranen angesehen werden. Der Wert beträgt für Lichtzellen 25, für semiaerobe Dunkelzellen 5 und für aerobe Dunkelzellen 1. In der Cytoplasmamembran wird das Aktivitätsmuster abweichend von dem der intracytoplasmatischen Membran variiert. Die verschiedenen Membranfraktionen zeigen charakteristische Proteinmuster. Einzelne Banden ändern ihre Aktivität parallel mit bestimmten Funktionen der Membranen.

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Differentiation of membranes from Rps. capsulata with respect to their photosynthetic and respiratory functions

Summary Cultures of Rps. capsulata were grown anaerobically in the light and at different oxygen partial pressures (5, 150, and 400 Torr) in the dark. The respiratory and photosynthetic activities as well as the protein patterns of the membranes are influenced significantly by the oxygen partial pressure. These variations give an idea of the process of membrane differentiation in the membrane system of Rps. capsulata in vivo.The bacteriochlorophyll content of intracytoplasmic membranes is found to vary between 5 g bacteriochlorophyll per mg membrane protein (tubules from cells grown aerobically in the dark) to 195 g bacteriochlorophyll per mg membrane protein (vesicles from cells grown anaerobically in the light). Vesicles from cells grown semiaerobically in the dark exhibit a bacteriochlorophyll content of about 110 g per mg membrane protein. The bacteriochlorophyll values for light grown cells decrease to values below 1% (1.5 g per mg membrane protein) by cultivation at 400 Torr oxygen partial pressure in the dark. In the cytoplasmic membrane of semiaerobically grown cells the bacteriochlorophyll content increases up to 10 g per mg membrane protein. The bacteriochlorophyll content of the intracytoplasmic membranes varies in proportion to the bacteriochlorophyll content of the whole cells.Photophosphorylation of intracytoplasmic membranes is found to be highest in vesicles from light grown cells (19.5 moles PO₄ ^3- per mg membrane protein per 30 min). According to the bacteriochlorophyll content the rates decrease to 10% in tubular membrane fractions from aerobically grown cells. The activity of the NADH oxidase were determined as (moles NADH per mg protein per min): 0.83 in tubules from dark grown cells (150 mm pO₂), 0.17 in vesicles from dark grown cells (5 mm pO₂), and 0.011 in vesicles from cells grown anaerobically in the light. The activities of oxidative phosphorylation do not exactly run parallel to the respiratory values. They were determined as (moles PO₄ ^3- per 30 min per mg protein): 0.74 in vesicles from anaerobically light grown cells, 1.2 in vesicles from dark grown cells (5 mm pO₂) and 2.01 in tubules (150 mm pO₂).Variations of the photosynthetic and respiratory activities are also found in the cytoplasmic membrane, inferring specific processes of membrane differentiation in these structures, other than those in intracytoplasmic membranes. The state of membrane differentiation of intracytoplasmic membranes can be described by the ratio of photophosphorylation to oxidative phosphorylation. In vesicles isolated from light grown cells, the ratio is 25, from dark grown cells it is 5, and in tubules from aerobically grown cells it is 1.When treated with phenol, urea and acetic acid, membranes are split into 10 typical protein bands which can be obtained by polyacrylamide gel electrophoresis. According to the culture conditions, the pattern of specific protein bands is changed in relation to the variation of enzymatic activities and bacteriochlorophyll content of the membranes. During transient experiments, membrane proteins can be labelled specifically if cells are incubated with ¹⁴C (U) protein hydrolysate. In this way, membrane differentiation may be demonstrated by incorporation of specific newly synthesized proteins.

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Abkürzungen Bchl Bacteriochlorophyll - CM Cytoplasmamembran - ICM Intracytoplasmatische Membran - OP Oxydative Phosphorylierung - pO₂ Sauerstoffpartialdruck in mm Hg - PP Photophosphorylierung - GG Glycyl-Glycin-Puffer